基于CATIA的面板壩趾板三維設(shè)計(jì)研究

王 蒙，張合作，程瑞林

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽(yáng)550081)

0 引 言

面板壩是當(dāng)今壩工建設(shè)中最常見的壩型之一，也是發(fā)展較快的一種壩型[1]。在設(shè)計(jì)階段趾板通常為整個(gè)大壩設(shè)計(jì)過程中的基準(zhǔn)之一；在施工期作為防滲灌漿的施工平臺(tái)，作為面板澆筑施工滑模的起點(diǎn)支撐，又是周邊縫止水的基礎(chǔ)[1]；在運(yùn)行期又連接面板與地下防滲帷幕，與二者組成封閉的防滲體。由于趾板斷面尺寸及走向布置由水頭和地形地質(zhì)條件決定，走向及尺寸都可能變化，故其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

面板壩趾板的現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法總結(jié)起來主要包括趾板初步定線、趾板布置形式擬定和趾板體形尺寸設(shè)計(jì)，一般以面板底面與趾板基礎(chǔ)的交線——“X”線作為趾板設(shè)計(jì)的控制線。目前的趾板設(shè)計(jì)方法存在一些局限性，總結(jié)起來主要包括以下4點(diǎn)：①當(dāng)趾板走向與壩軸線大角度相交或者已經(jīng)垂直，“X”線會(huì)偏離到趾板斷面以外，或根本不存在；②趾板在轉(zhuǎn)折處，相鄰兩段趾板的基礎(chǔ)面會(huì)出現(xiàn)“錯(cuò)臺(tái)”的情況，設(shè)計(jì)過程中的處理方式不統(tǒng)一；③往往初選的趾板軸線布置不能滿足要求，需要重新調(diào)整布置，這樣趾板的開挖、趾板結(jié)構(gòu)等需要重新設(shè)計(jì)，重復(fù)多，效率低；④趾板的開挖或者結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)都需要根據(jù)空間幾何關(guān)系以及局部與整體坐標(biāo)系的計(jì)算得到，過程繁瑣、易出錯(cuò)。

本文根據(jù)趾板傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)以及目前面板壩趾板的三維設(shè)計(jì)水平，提出一種基于CATIA的趾板參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，旨在提高面板壩設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

1 基于CATIA軟件的趾板三維設(shè)計(jì)思路

由于平趾板適合機(jī)械化施工[1]，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，本文主要闡述基于CATIA軟件的平趾板三維設(shè)計(jì)思路和方法。

基于CATIA的趾板三維設(shè)計(jì)思路主要為：創(chuàng)建大壩坐標(biāo)系→骨架定位→趾板軸線布置→典型斷面草圖設(shè)計(jì)→趾板實(shí)體生成。

(1)創(chuàng)建大壩坐標(biāo)系。整個(gè)樞紐作為一個(gè)產(chǎn)品，大壩即為該產(chǎn)品的一個(gè)零件，所以大壩坐標(biāo)系和樞紐產(chǎn)品坐標(biāo)系存在一定的約束關(guān)系。通常為了方便大壩各個(gè)結(jié)構(gòu)的建模，大壩坐標(biāo)系的XOY面即為零高程面，其中，Z軸為高程方向，X軸或Y軸為壩軸線方向，坐標(biāo)系原點(diǎn)即為壩軸線與河床中心線的交點(diǎn)。

(2)骨架定位。為方便整個(gè)大壩的后續(xù)調(diào)整以及參數(shù)化設(shè)計(jì)，首先確定壩體總體骨架，即壩軸線的位置方向、壩頂高程面以及作為趾板軸線支持面的面板上(下)表面等。

(3)趾板軸線布置。結(jié)合地形地質(zhì)體模型、趾板建基面要求和趾板寬度來布置趾板軸線?；谶x定的趾板軸線類型來確定趾板軸線支持面為面板上表面還是面板下表面并繪制初步軸線，如圖1所示。這里，趾板軸線段數(shù)以及各段走向應(yīng)結(jié)合地形地質(zhì)模型。

圖1 趾板骨架示意

(4)趾板典型斷面設(shè)計(jì)。趾板斷面三維設(shè)計(jì)與常規(guī)趾板斷面設(shè)計(jì)思路相同，本文不再贅述。

(5)生成趾板實(shí)體?；诟鞫沃喊宓牡湫蛿嗝娌輬D，利用CATIA軟件“零件設(shè)計(jì)”模塊中的“多截面實(shí)體”命令生成各段趾板實(shí)體[6]。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 趾板軸線的選取

在我國(guó)面板壩的設(shè)計(jì)過程中，一般選取“X”線作為趾板設(shè)計(jì)的軸線[7]?！癤”線為面板底面延伸線與趾板建基面的交點(diǎn)所組成的線[1]，該線常作為趾板的開挖或模板架設(shè)施工放樣線。但當(dāng)岸坡坡度較陡，甚至趾板走向與壩軸線垂直時(shí)，“X”線就會(huì)偏離至趾板建基面以外，或者根本不存“X”線。所以采用“X”線作為趾板設(shè)計(jì)、開挖或模板澆筑施工的軸線具有一定的局限性。

考慮到趾板“Z”線為面板下表面與趾板下游斜面的交線，在各段趾板之間是連續(xù)的。筆者認(rèn)為，采用“Z”線作為設(shè)計(jì)軸線是可行的。

2.2 趾板布置

2.2.1 趾板布置原則

趾板的布置原則為在保證趾板基礎(chǔ)滿足滲透穩(wěn)定要求情況下，盡量減小基礎(chǔ)和邊坡開挖規(guī)模，趾板走向盡量保持平順[1]。河床段趾板作用水頭最大，對(duì)趾板建基面地質(zhì)條件要求高，相應(yīng)的趾板較寬；隨著高程增加，水頭減小，趾板寬度可適當(dāng)減小。

2.2.2 基于CATIA的趾板布置調(diào)整方法

基于趾板布置原則，趾板沿軸線的變化主要包括斷面尺寸變化和走向變化。故在趾板斷面和走向發(fā)生變化的地方設(shè)置控制點(diǎn)，將趾板軸線分割為若干段，這樣就可以通過調(diào)整這兩類控制點(diǎn)的位置來控制趾板軸線的布置。

本文介紹的方法主要包括5個(gè)步驟：步驟1，在進(jìn)行趾板軸線布置之前首先完成三維地質(zhì)模型。步驟2，根據(jù)趾板布置原則，將趾板軸線各控制點(diǎn)與初步設(shè)計(jì)的高程面約束。步驟3，根據(jù)趾板軸線控制點(diǎn)與地質(zhì)面相對(duì)關(guān)系移動(dòng)各控制點(diǎn)的水平位置，該步驟為“粗調(diào)”。步驟4，在“粗調(diào)”后的控制點(diǎn)附近創(chuàng)建相應(yīng)的壩橫0+***橫剖面支持面并將其與控制點(diǎn)約束。步驟5，通過壩橫樁號(hào)以及高程來實(shí)現(xiàn)趾板軸線控制點(diǎn)的精確調(diào)整，該步驟為“精調(diào)”。

如圖2和圖3展示了步驟3～步驟5中所述的控制點(diǎn)調(diào)整過程?？刂泣c(diǎn)3以下趾板需置于弱風(fēng)化下部，圖中背景即為弱風(fēng)化底界面；此外，可通過沿特定高程作平切圖的方法來校核趾板建基面是否合適。

圖2 趾板軸線控制點(diǎn)“粗調(diào)”示意

圖3 趾板軸線控制點(diǎn)“精調(diào)”示意(單位:cm)

2.3 相鄰兩段趾板連接處理

受趾板空間布置特點(diǎn)決定，趾板寬度或走向變化處相鄰兩段趾板會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的情況，如圖4所示，會(huì)出現(xiàn)的侵入、缺口或錯(cuò)臺(tái)的現(xiàn)象，相鄰兩段趾板合理連接是基于CATIA的趾板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

圖4 趾板不連續(xù)示意

筆者研究發(fā)現(xiàn)，在趾板走向和寬度發(fā)生變化處增設(shè)“異型趾板”可以解決上述問題。具體實(shí)施方式為：步驟1，將距離趾板走向或?qū)挾茸兓幍?～5 m范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)趾板截?cái)?，該距離視趾板寬度或布置形式而定。步驟2，將相鄰兩段趾板端部截面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)連接，形成封閉實(shí)體，生成該部位的異型趾板段，如圖5所示。

圖5 異型趾板示意

2.4 趾板優(yōu)化調(diào)整參數(shù)化

為減少重復(fù)工作量，提高趾板三維設(shè)計(jì)效率，筆者針對(duì)趾板三維設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化。趾板設(shè)計(jì)參數(shù)化包括軸線設(shè)計(jì)參數(shù)化和趾板斷面尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)化。

(1)趾板軸線參數(shù)化。如前文所述，軸線控制點(diǎn)空間位置的控制參數(shù)包括高程和壩橫樁號(hào)兩個(gè)參數(shù)，通過調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)來更新趾板軸線布置。但是趾板軸線包含多段，兩岸相鄰兩段趾板走向可能相同亦可不同，因而相鄰兩個(gè)控制點(diǎn)位置不完全獨(dú)立，單純調(diào)整各控制點(diǎn)的高程和壩橫樁號(hào)參數(shù)，可能導(dǎo)致模型出錯(cuò)。經(jīng)研究，筆者提出創(chuàng)建布爾參數(shù)來控制相鄰兩段趾板走向關(guān)系。首先創(chuàng)建布爾參數(shù)“BL1”、“BL2”、“BL3”…，布爾參數(shù)的個(gè)數(shù)由趾板軸線段數(shù)決定；上述布爾參數(shù)分別判斷相鄰兩段趾板的走向關(guān)系，若走向相同則BL*為“真”，則高高程的控制點(diǎn)的高程和壩橫樁號(hào)由低高程控制點(diǎn)根據(jù)趾板走向計(jì)算得到，用戶輸入的高程和樁號(hào)無效；反之為“假”，則保持用戶輸入的高程和壩橫樁號(hào)。

(2)趾板斷面尺寸參數(shù)化。趾板標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸的控制參數(shù)可以為趾板寬度IE、趾板厚度IH、長(zhǎng)度EF和面板下部堆石體高度ZY或者長(zhǎng)度XI、長(zhǎng)度XE(見圖6)。通過調(diào)整斷面尺寸的各參數(shù)達(dá)到調(diào)整趾板斷面的目的。通過對(duì)上述樁號(hào)、高程和尺寸進(jìn)行參數(shù)化，再配合布爾參數(shù)的控制即可實(shí)現(xiàn)趾板三維設(shè)計(jì)完全參數(shù)化。當(dāng)設(shè)計(jì)方案變化時(shí)，可通過修改各參數(shù)來實(shí)現(xiàn)趾板模型的時(shí)時(shí)更新，工作效率驟然提高。此外，由于本文所述的趾板設(shè)計(jì)參數(shù)化中趾板軸線的參數(shù)化設(shè)計(jì)具有通用性，不僅僅局限于特定的工程，僅需根據(jù)工程具體情況調(diào)整相應(yīng)參數(shù)即可，較大程度提高了模型的可重復(fù)利用率，減少了設(shè)計(jì)工作量，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

圖6 趾板標(biāo)準(zhǔn)斷面示意

2.5 設(shè)計(jì)成果快速輸出

完成趾板的三維模型后，需對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行成果輸出。

(1)趾板結(jié)構(gòu)圖輸出?；谝淹瓿傻闹喊迦S模型采用CATIA軟件自帶的“工程制圖”模塊可直接進(jìn)行趾板結(jié)構(gòu)的成果輸出(見圖7)。

圖7 趾板輸出結(jié)構(gòu)

(2)趾板相關(guān)工程量輸出。利用CATIA軟件自帶的測(cè)量函數(shù)，創(chuàng)建測(cè)量參數(shù)，如基礎(chǔ)處理參數(shù)、含筋率參數(shù)和混凝土體積參數(shù)，將測(cè)量參數(shù)、測(cè)量函數(shù)與測(cè)量的部位相關(guān)聯(lián)，即可得到趾板相關(guān)工程量，結(jié)構(gòu)調(diào)整后工程量能自動(dòng)更新。

(3)趾板建基面控制點(diǎn)輸出。趾板建基面控制點(diǎn)坐標(biāo)可通過CATIA軟件測(cè)量功能測(cè)出控制點(diǎn)坐標(biāo)并輸出到Excel，根據(jù)大壩坐標(biāo)系原點(diǎn)的大地坐標(biāo)將模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為控制點(diǎn)的大地絕對(duì)坐標(biāo)。

3 應(yīng)用實(shí)例

某工程擋水建筑物為面板壩，大壩壩高201 m，上下游壩坡分別為1∶1.45和1∶1.4，壩頂寬15 m，壩體分區(qū)由上游到下游分別為墊層料、過渡料、上游堆石料、壩頂增模區(qū)和下游堆石區(qū)。

趾板為平趾板，采用不等寬設(shè)計(jì)，由河床至壩頂趾板寬度分別為10、8 m和6 m，厚度相應(yīng)為1.0、0.8 m和0.6 m。采用本文介紹的趾板三維設(shè)計(jì)方法創(chuàng)建的趾板三維模型如圖8所示，趾板控制點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

圖8 趾板結(jié)構(gòu)布置(單位：cm)

4 結(jié) 論

本文研究了一種基于CATIA軟件的面板壩趾板三維設(shè)計(jì)方法，解決了基于CATIA軟件進(jìn)行趾板三維設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題，提高了面板壩三維設(shè)計(jì)效率和水平。

表1 趾板建基面控制點(diǎn)坐標(biāo) m

注：表中控制點(diǎn)坐標(biāo)為局部坐標(biāo)，保密需要未給出大地坐標(biāo)。

(1)本文分析了采用趾板“X”線進(jìn)行三維設(shè)計(jì)在特殊情況下的缺點(diǎn)與改用趾板“Z”線作為趾板設(shè)計(jì)軸線的可行性，并系統(tǒng)闡述了一套采用“Z”線作為趾板設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行趾板三維設(shè)計(jì)的思路和方法。

(2)基于三維地質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)了通過“粗調(diào)”和“精調(diào)”的方法進(jìn)行趾板建基面選擇布置，實(shí)現(xiàn)了完全意義上的趾板三維設(shè)計(jì)。

(3)通過設(shè)置異型趾板段解決了相鄰兩段趾板之間出現(xiàn)缺口、侵入或錯(cuò)臺(tái)的現(xiàn)象。

(4)趾板設(shè)計(jì)的參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)了通過參數(shù)來調(diào)整趾板布置和斷面尺寸的目的，滿足各設(shè)計(jì)階段對(duì)趾板進(jìn)行快速調(diào)整的需求，使得從前期設(shè)計(jì)階段到施工詳圖階段僅用一套三維模型即可，提高了三維設(shè)計(jì)模型的重復(fù)利用率，避免了后期調(diào)整重新建模的情況，提高了工作效率。

(5)利用CATIA軟件自帶的“工程制圖”模塊以及測(cè)量函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了趾板結(jié)構(gòu)圖、工程量和控制點(diǎn)坐標(biāo)輸出；此外，趾板三維模型調(diào)整后，二維結(jié)構(gòu)圖能同時(shí)自動(dòng)更新，相比傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)要重新繪圖節(jié)省了大量的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。